高鹽廢水MBR耐鹽馴化過程微生物的效能及代謝產(chǎn)物研究

＊高睿 鐘輝 袁野 陳明,3 鐘常明,3*

（1.贛州市全南生態(tài)環(huán)境局 江西 341800 2.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 江西 341000 3.江西省礦冶環(huán)境污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江西 341000）

MBR工藝是處理高鹽廢水的有效手段之一，其鹽度升高導(dǎo)致微生物死亡而影響污染物的去除[1-3]，通過耐鹽馴化使微生物成為優(yōu)勢(shì)菌種，從而提高反應(yīng)器運(yùn)行效果。傳統(tǒng)活性污泥法難以處理高鹽廢水，而MBR的高效截留性防止微生物流失能提高反應(yīng)器內(nèi)微生物濃度，是處理含鹽廢水有效方式之一[4-5]。

采用課題組馴化構(gòu)建適應(yīng)3%鹽度的MBR系統(tǒng)，采用逐步提高進(jìn)水0.5%鹽度的馴化方法，以目標(biāo)鹽度為5%構(gòu)建高鹽微生物處理系統(tǒng)，本文僅研究鎢冶煉廢水3%～5%鹽度馴化過程中MBR對(duì)污水中COD、氨氮和總氮的去除效果情況及代謝產(chǎn)物。

1.實(shí)驗(yàn)材料與方法

(1)實(shí)驗(yàn)用水

本實(shí)驗(yàn)廢水取自贛州市某鎢冶煉廠生產(chǎn)廢水調(diào)節(jié)池，廢水水質(zhì)特點(diǎn)為無(wú)機(jī)鹽濃度較高，C/N低，pH值呈中性。本實(shí)驗(yàn)研究3%～5%鹽度廢水，故根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)得鹽度進(jìn)行稀釋或者添加氯化鈉進(jìn)行調(diào)整實(shí)驗(yàn)用水鹽度，稀釋試驗(yàn)用水時(shí)，添加適量葡萄糖和氯化鈉控制COD和氨氮濃度恒定，具體水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 鎢冶煉生產(chǎn)廢水水質(zhì)情況

(2)試驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)使用5mm有機(jī)玻璃板（PMMA）自制一體式MBR反應(yīng)器，反應(yīng)器規(guī)格為200mm×100mm×260mm，有效容積為4L，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)用膜為天津膜天膜科技股份有限公司生產(chǎn)的PVDF中空纖維膜制作而成，具有0.6mm的內(nèi)徑和1.0mm的外徑，設(shè)計(jì)膜通量15～25L/d，有效截留面積0.023m2。

(3)實(shí)驗(yàn)藥劑

實(shí)驗(yàn)過程所用主要試劑1,10-鄰菲羅啉、4-氨基苯磺酰胺、氨基磺酸等均為分析純，分析采用自制去離子水。

(4)分析項(xiàng)目與檢測(cè)方法

①COD：高錳酸鉀法；②DO：溶解氧測(cè)定儀；③MLVSS/MLSS/SVI：重量分析法；④NH4+-N、NO2--N、NO3--N：分光光度計(jì)法；⑤pH：pH測(cè)定儀；⑥SV30：靜置觀察量筒測(cè)定法。

(5)實(shí)驗(yàn)方法

①污泥接種。污泥活化培養(yǎng)期每天更換一次3%鹽度的鎢冶煉廢水，DO為2.0～3.0mg/L之間，pH為7.3～7.8之間，每天固定時(shí)間測(cè)定進(jìn)水和出水COD、NH4+-N濃度。連續(xù)培養(yǎng)10d后，污泥變成黃褐色絮體，沉降效果良好，污泥濃度在7000mg/L左右，COD去除率在94%左右，NH4+-N去除率在85%左右。

②耐鹽馴化。采用0.5%作為一個(gè)梯度鹽度逐步馴化，構(gòu)建高鹽度的微生物處理系統(tǒng)，每個(gè)鹽度梯度馴化14d，直至MBR反應(yīng)器在5%鹽度下連續(xù)運(yùn)行至污染物去除率保持穩(wěn)定，即認(rèn)為污泥耐鹽馴化完成。

2.結(jié)果與討論

(1)馴化期間污泥沉降性能變化

對(duì)不同馴化階段污泥穩(wěn)定運(yùn)行的第14d進(jìn)行MLSS和SVI測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示：隨著馴化時(shí)間延長(zhǎng)，在5%鹽度時(shí)，MLSS呈增加趨勢(shì)，由于MBR的高效截留性使微生物不流失，MLSS達(dá)到9265mg/L；SVI從3%鹽度的38mL/g降至5%鹽度的34.8mL/g，沉降速度雖加快，但上清液仍然渾濁。

圖2 耐鹽馴化期間不同鹽度下MLSS與SVI變化情況

(2)馴化期間COD去除變化情況

將MBR反應(yīng)器污泥馴化至5%鹽度期間，COD去除效果如圖3所示。

圖3 耐鹽馴化期間COD變化情況

進(jìn)水鹽度3.0%階段，由于污泥剛接種至MBR系統(tǒng)，COD去除率較低，隨著馴化的進(jìn)行，出水COD維持在10mg/L左右，去除率穩(wěn)定在95%左右，略高于課題組前期試驗(yàn)COD92.5%的去除率[1]。經(jīng)過馴化，耐鹽微生物量會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)，可提高污染物去除效果。經(jīng)過5個(gè)階段的馴化過程，反應(yīng)器COD出水在10mg/L左右，去除率穩(wěn)定在92.3%左右，微生物具有對(duì)高鹽度廢水的耐受性，耐鹽微生物群落在反應(yīng)器內(nèi)富集，因此，長(zhǎng)時(shí)間耐鹽馴化可以給微生物適應(yīng)環(huán)境提供時(shí)間，使微生物能夠在高鹽環(huán)境下生長(zhǎng)發(fā)育繁殖，從而提高對(duì)污染物的去除效果。

(3)馴化期間脫氮效果變化情況

耐鹽馴化期間，MBR反應(yīng)器對(duì)NH4+-N和TN去除效果變化如圖4所示。

圖4 耐鹽馴化期間NH4+-N與TN變化情況

在進(jìn)水鹽度3.0%階段，反應(yīng)器剛接種污泥，由于硝化菌對(duì)環(huán)境較為敏感，初始NH4+-N去除率較低，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，硝化菌逐漸富集，NH4+-N去除率逐漸回升至85%左右。隨著鹽度馴化進(jìn)行，在鹽度變化時(shí)，反應(yīng)器NH4+-N去除效果下降，這表明鹽度改變環(huán)境滲透壓，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)微生物產(chǎn)生沖擊，硝化菌對(duì)環(huán)境變化敏感，硝化速率降低，NH4+-N去除率下降，但是經(jīng)過一段時(shí)間馴化，系統(tǒng)對(duì)氨氮去除率逐漸回升，可見微生物出現(xiàn)了對(duì)高鹽環(huán)境的耐受性。另外發(fā)現(xiàn)5%鹽度下，反應(yīng)器對(duì)NH4+-N去除效果波動(dòng)較大，分析認(rèn)為在高鹽度下，硝化菌對(duì)環(huán)境變化非常敏感，外界環(huán)境的一些變化，都會(huì)影響硝化菌的活性，從而造成處理效果的波動(dòng)。5%鹽度下，反應(yīng)器NH4+-N出水在11mg/L左右，去除率為78%左右。系統(tǒng)對(duì)TN的去除率呈先升高后降低的趨勢(shì)，在馴化期間，每個(gè)鹽度梯度TN去除率分別為41.43%、58.07%、78.55%、77.45%和65.78%。

(4)馴化期間微生物代謝產(chǎn)物變化分析

高鹽條件微生物通過調(diào)節(jié)自身代謝和細(xì)胞結(jié)構(gòu)抵御外界不良環(huán)境，代謝產(chǎn)物分為溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）、松散胞外聚合物（LB-EPS）和緊密胞外聚合物（TB-EPS），采用Matlab軟件的DOMFluor工具進(jìn)行PARAFAC分析三維熒光（EEM）的峰值變化情況，確定不同鹽度下MBR污泥代謝產(chǎn)物種類及其變化情況。從圖5可知SMP中主要成分為類蛋白質(zhì)物質(zhì)，從3%鹽度升高至3.5%鹽度時(shí)，類蛋白質(zhì)含量先降低，隨后至5%鹽度其含量持續(xù)升高。海洋類腐殖質(zhì)變化與類蛋白質(zhì)相反，鹽度越高，海洋類腐殖質(zhì)含量降低?？梢婎惛迟|(zhì)含量變化與鹽度沖擊沒有明顯的相關(guān)性。

圖5 馴化期間SMP組分及強(qiáng)度變化圖

圖6表示鹽度馴化期間LB-EPS的熒光組分及不同組分變化情況，類蛋白質(zhì)物質(zhì)含量在3%～4.5%鹽度期間變化不明顯，在5%鹽度驟升；可見類腐殖質(zhì)有相似的現(xiàn)象，在4.5%鹽度含量下降，5%鹽度含量驟升。分析認(rèn)為，5%鹽度對(duì)微生物影響較大，促使微生物分泌更多EPS維持自身滲透壓平衡，無(wú)法適應(yīng)環(huán)境的微生物死亡導(dǎo)致腐殖質(zhì)含量增多。

圖6 馴化期間LB-EPS組分及強(qiáng)度變化圖

圖7表示鹽度馴化期間TB-EPS的熒光組分及不同組分變化情況，類蛋白質(zhì)含量隨鹽度升高迅速上升，每變化1%鹽度，熒光強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)驟升；鹽度在3%～3.5%、4%～4.5%期間，類富里酸物質(zhì)含量出現(xiàn)下降趨勢(shì)，在3.5%～4%、4.5%～5%期間，含量上升；類腐殖質(zhì)含量變化有相似的現(xiàn)象，這可能是微生物在耐鹽馴化期間，耐受3%鹽度的微生物對(duì)3.5%鹽度環(huán)境具有更強(qiáng)的適應(yīng)能力，但對(duì)4%鹽度環(huán)境難以承受，導(dǎo)致微生物死亡，腐殖質(zhì)類物質(zhì)出現(xiàn)上升趨勢(shì)，存活下來的微生物為了更好的適應(yīng)環(huán)境，分泌更多的物質(zhì)，所以類蛋白質(zhì)含量上升。

圖7 馴化期間TB-EPS組分及強(qiáng)度變化圖

3.結(jié)論

通過鎢冶煉高鹽廢水3.0%～5.0%的耐鹽馴化培養(yǎng)，分析其污泥沉降性能、微生物處理效能和代謝產(chǎn)物的現(xiàn)象與結(jié)果，研究結(jié)果表明MBR處理高鹽廢水是切實(shí)可行的。